超高性能混凝土（UHPC）性能研究

（科之杰新材料集團（貴州）有限公司，貴州 龍里 551206）

0 前言

上世紀以來，隨著社會經濟的發展，工程結構朝更高、更長、更深的方向發展，這對混凝土的強度有了更高的要求。為了滿足社會日新月異的發展趨勢，從事混凝土工作的研究者們需要讓混凝土的強度登上一個又一個新的臺階。上世紀 50 年代，混凝土的強度等級一般為 C20；60 年代為 C30；70～80 年代，由于引入了減水劑，強度等級 C40～C50 的混凝土已廣泛使用；90 年代，C50～C70 混凝土已經廣泛使用，C80、C90 以及C100 在我國已開始使用[1]。

科技進步與社會和人類需要密不可分。上世紀末以來，我國一直處于一個高速發展及建設的階段，對普通混凝土、高性能混凝土甚至是超高性能混凝土的需求越來越大。結合可持續發展戰略，對混凝土的要求越來越高，所以超高性能混凝土（UHPC）的應用前景十分廣泛。

UHPC 是一種新型的超高強度、高韌性的水泥基復合材料，與普通混凝土相比，其顯著特點是強度更高、韌性更大、耐久性更好[2]。UHPC 早期強度發展快、后期強度極高，用于補強和修補工程中可替代鋼材和昂貴的有機聚合物，既可保持混凝土體系的整體性，還可以降低成本；UHPC 抗沖擊性能和耐久性能好，廣泛的用于超高層建筑和需要高承載力的特殊結構；UHPC 還擁有高密實性和良好的工作性能，使其工程實體表面有很高的光潔度，外界的有害物質很難入侵到實體里面去，利用這一優點，UHPC 還可做建筑物的外裝飾材料。

UHPC 里一般都會加入鋼纖維，目的是增加混凝土的抗彎拉能力和抗壓強度，但是，鋼纖維會影響混凝土的流動性[3]。

目前貴州正處于高速發展時期，未來會有許多的超高層的建筑將會坐落于貴陽市區，從貴州 UHPC 發展現況來看，尚沒有一家攪拌站或者外加劑公司完全具備研發超高性能混凝土的技術，這是一個挑戰。

1 試驗

1.1 試驗原材料

（1）水泥：貴州本地清鎮海螺 P·O52.5。

（2）微珠粉：黔西電廠，2000 目。

（3）硅灰：靈壽縣金源礦業加工廠，4000 目。

（4）玄武砂：清鎮市萬隆達礦產開發有限公司，0～5mm。

（5）玄武石：清鎮市萬隆達礦產開發有限公司，10～15.5mm。

（6）鋼纖維：史尉克工程纖維，屬于平直型，直徑 0.22mm，長度 13mm，長徑比為 60。

（7）外加劑：科之杰新材料集團（貴州）有限公司高性能減水劑，固含量 30%，減水率＞30%。

1.2 試驗用儀器設備

本試驗所用試驗儀器如表 1 所示。

表1 試驗儀器

1.3 配合比設計

根據最大堆積密度理論，設計超高性能混凝土理論配合比，其中水膠比 0.18，砂率為 40%，外加劑摻量是15kg。確定配合比如表 2 所示。

表2 UHPC 理論配合比設計 kg/m3

2 試驗過程

初步設計外加劑配方為，LL-S04:480kg，LLS10G:120kg，H2:30kg，X1:0.1kg，以上為 1 噸外加劑各組分用量。為了保證混凝土在一定時間內能夠滿足施工條件，所以使用我公司一款高減水、高保坍的母液LL-S04 和 LL-S10G，確保混凝土具有良好的和易性和流動性。根據表 2 配合比進行試配，其中鋼纖維體積摻量待定，從 0.5% 增加到 2%。

首先研究鋼纖維摻量對混凝土抗壓強度以及流動性的影響，確定最佳鋼纖維體積摻量，鋼纖維體積摻量分別設計為 39kg、79kg、118kg、157kg，獲得數據分別見圖 1 和圖 2。

圖1 不同鋼纖維體積摻量對混凝土流動性的影響

圖2 不同鋼纖維體積摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖 1 可以看出，當鋼纖維體積摻量從 39kg 增加到 157kg 時，混凝土的坍落度和擴展度均在減小，也就是混凝土的流動性在變差。特別是當體積摻量達到157kg 后，混凝土很難滿足施工要求。

從圖 2 可以看出，當鋼纖維體積摻量從 39kg 增加到 157kg 后，混凝土 3d、7d 和 28d 抗壓強度均在增大，3d 抗壓強度從 91.4MPa 增大到 107.3MPa，同比增長 17.4%；7d 抗壓強度從 114.2MPa 增大到 130.8MPa，同比增長 14.5%；28d 抗壓強度從 140.2MPa 增大到156.9MPa，同比增長 11.9%。

調整膠凝材料用量，調整微珠粉和硅灰的摻量，調整砂率，調整水膠比，及調整鋼纖維摻量，得到配合比，見表 3。

表3 UHPC試驗配合比試配 kg/m3

從表 3 中看，編號 1～6 水膠比 0.18，砂率 40%；編號 1～5 鋼纖維摻量是 0.5%，編號 6～9 鋼纖維摻量是 1%；編號 7～9 水膠比 0.16。收集混凝土初始數據，包括倒置流、坍落度、擴展度，以及兩小時經時損失的坍落度、擴展度、倒置流；最后使用100mm×100mm×100mm 標準試模成型，測量試塊在標準養護下的 3d、7d 和 28d 抗壓強度值，獲得數據收錄于表 4。

從表 4 中的編號 1、2 和 3 可以看出，當配合比其他組分保持不變時，微珠粉摻量從 10% 增加到 30%時，混凝土流動度在增大，倒置流時間在縮短；而抗壓強度值在微珠粉摻量為 20% 時達到最大。編號 1、編號4 和編號 5 可以看出，當硅灰摻量從 10% 增加到 30%時，混凝土流動度逐漸降低，當硅灰摻量為 30% 時，混凝土基本失去工作性能，并且抗壓強度值最低。從編號 1 和編號 6 可以看出，鋼纖維體積摻量從 0.5% 增加到 1% 時，主要表現在混凝土流動度在降低，抗壓強度值在增加，28d 強度從 140.2MPa 增加到 146.2MPa，同比增長 4.3%。從編號 7、8 和 9 可以看出，混凝土砂率從 40% 降到 30%，水膠比是 0.16，混凝土流動度在降低，倒置流時間在增長，抗壓強度值變化不大。從表4 整體來看，水膠比從 0.18 降低為 0.16，強度有所增加，從 145.3MPa 增加到 149.6MPa，同比增長 3%，但流動度受影響較大。

表4 混凝土工作性能和力學性能

3 結論

（1）超高性能混凝土（UHPC）抗壓強度隨著水膠比減小而增大，水膠比低會導致混凝土流動性差，混凝土工作性能達不到理想狀態。

（2）混凝土砂率從 40% 降到 30% 時，混凝土流動度在逐漸降低，并且強度增長不多。

（3）混凝土中微珠粉摻量從 10% 增加到 30%，混凝土流動度在增大，抗壓強度先增大后減小，當微珠粉摻量為 20% 時，抗壓強度最大；當硅灰摻量從 10%增加到 30% 時，混凝土流動度降低，當硅灰摻量超過30% 時，混凝土幾乎失去工作性能。

（4）混凝土抗壓強度隨著鋼纖維體積摻量的增大而增大，3d 抗壓強度、7d 抗壓強度和 28d 抗壓強度同比漲幅為 17.4%、14.5% 和 11.9%。